"Met meer rekenkracht kunnen we aanvullende facetten van de chemie onderzoeken", zegt Karol Kowalski, een computationeel scheikundige bij het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) en corresponderend auteur van het artikel. "Ik denk dat computationele chemie een grote rol zal spelen bij het ontwikkelen van ons begrip van belangrijke chemische processen in de 21e eeuw. We kunnen simulaties gebruiken om experimentele studies in een krachtige lus te begeleiden en te reiken."

Computerparadigma's zijn in transitie, waarbij grootschalige en kwantumsystemen een centrale rol gaan spelen in de toekomst van computers. Deze nieuwe technologieën zullen onderzoekers in staat stellen verschillende en meer gecompliceerde scheikundige problemen op te lossen. Maar met nieuwe kansen komen nieuwe uitdagingen, waaronder het creëren van geïntegreerde software die naadloos kan samenwerken.

Er is een steeds groter aantal gespecialiseerde scheikundige softwarepakketten die gericht zijn op het oplossen van specifieke soorten problemen. Omdat de vragen die door computationele chemie worden gesteld steeds complexer worden, moeten onderzoekers verschillende programma's gebruiken om deze te beantwoorden. Gecombineerd met de veranderingen in computertechnologieën bevindt het vakgebied zich op een belangrijk punt om naar de toekomst te kijken.

"We moeten ervoor zorgen dat onze aanpak volledig gebruik kan maken van nieuwe ontwikkelingen op het gebied van exascale machines, cloud computing en quantum computing", aldus Kowalski. "Dit vereist planning voor de toekomst en anticiperen op de nieuwe uitdagingen die zich zullen voordoen."

Wat is duurzame software?

In het artikel definiëren de auteurs duurzame software als een systeem van verschillende softwarepakketten die kunnen worden samengesteld en gebruikt als een samenhangend systeem om een ​​breed scala aan chemische problemen aan te pakken.

"Naarmate de vragen die we stellen ingewikkelder worden, wordt het proces voor het vinden van geschikte technieken om ze aan te pakken ook steeds ingewikkelder", zegt Niri Govind, een computationeel chemicus van PNNL en co-auteur van het artikel. "We moeten samenwerken op verschillende platforms om de meest betekenisvolle resultaten te genereren. Om dit effectief te doen, moeten er normen voor het veld worden vastgesteld."

Het computationele chemie-ecosysteem vertegenwoordigt een waardevolle proeftuin voor nieuwe methoden. De problemen waarmee computationele scheikundigen en hun software worden geconfronteerd, zijn niet uniek voor de scheikunde; ze zijn terug te vinden in alle wetenschappelijke modelleringsinspanningen. Als een van de meest gevestigde computeromgevingen in de wetenschap hebben ontwikkelingsteams de afgelopen jaren consequent contact gehad en samengewerkt.

Samenwerking en het delen van kennis zijn essentieel omdat vaak één enkel probleem het gebruik van meerdere soorten software vereist om de complexiteit van systemen in de echte wereld nauwkeurig vast te leggen.

Vaak hebben onderzoeksteams een beperkte focus bij het ontwikkelen van software die nieuwe mogelijkheden oplevert om specifieke problemen aan te pakken. Deze steeds toenemende complexiteit van het ecosysteem leidt tot toenemende samenwerking naarmate de expertise kleiner wordt.

Scheikunde vormgeven met berekeningen

Nog niet zo lang geleden dienden computationele scheikundige simulaties voornamelijk als validatoren van experimentele bevindingen. Naarmate de rekenkracht echter is toegenomen, is ook het vermogen van de computationele chemie toegenomen, niet alleen om complexe problemen te valideren, maar ook om deze op te lossen, om experimenten te begeleiden en te interpreteren, en om voorspellingen mogelijk te maken.

Naarmate het scala aan kennis dat met computationele chemie kan worden verkregen, is uitgebreid, zijn daar kosten aan verbonden. Hoe ingewikkelder een simulatie, hoe meer rekenkracht en tijd er nodig is om tot een oplossing te komen. Plannen voor de toekomst, zo stellen de auteurs, vereist het navigeren door de toenemende eisen van nieuwe problemen, het aanpassen aan de eisen van de volgende generatie computerarchitecturen en het ontwikkelen van volledige interoperabiliteit.

Leden van het Computational and Theoretical Chemistry Institute (CTCI) van PNNL pakken deze uitdaging aan door middel van innovatieve, schaalbare oplossingen op huidige en toekomstige computerplatforms

"Via de CTCI hebben we een institutioneel raamwerk gecreëerd om de volgende generatie computationele chemiesoftware te ontwikkelen voor computerfaciliteiten van topklasse", zegt Sotiris Xantheas, CTCI-directeur en co-auteur van het artikel.

"Door een combinatie van computerwetenschappelijke inspanningen met nieuwe wetenschappelijke hulpmiddelen, kunstmatige intelligentie en kwantumcomputers te gebruiken, is de CTCI klaar om de volgende generatie moleculaire modelleringsmogelijkheden te ontwikkelen."

Workshop voor duurzame software

Het perspectiefartikel kwam voort uit discussies tijdens de workshop 'Sustainable Computational Chemistry Software Development and Integration' in 2022. Daar bespraken de aanwezigen de behoeften en investeringen in de software-infrastructuur om het volledige potentieel van opkomende computerbronnen te realiseren. De bijeenkomst bracht onderzoekers uit de hele computationele chemiegemeenschap samen.

Tijdens de workshopdiscussies realiseerden ontwikkelaars zich dat ze voortdurend met soortgelijke problemen werden geconfronteerd bij het aanpassen aan nieuwe computerbronnen en het ontwikkelen van integreerbare software. Individuele teams beseften dat ze konden putten uit ervaringen van anderen die al oplossingen hebben gevonden voor opkomende problemen.

PNNL-onderzoekers hebben deze gesprekken voortgezet en nauw samengewerkt met academische, nationale laboratorium- en industriële partners om innovatieve nieuwe hulpmiddelen voor wetenschappelijke ontdekkingen te creëren via projecten zoals TEC ⁴ (Overdracht van Exascale Computational Chemistry naar cloud computing-omgevingen en opkomende hardwaretechnologieën).

De auteurs waren het erover eens dat duurzame softwareontwikkeling het veld in staat stelt om over de hele linie sneller te evolueren zonder dat onderzoekers voortdurend bestaande oplossingen opnieuw moeten uitvinden. Deze strategie maakt investeringen efficiënter, omdat samenwerking ook bruggen bouwt van interne consistentie tussen verschillende programma's. De auteurs erkennen de noodzaak van voortdurende aanpassing van software om aan zowel wetenschappelijke als hardwarebehoeften te voldoen.

"Dit werk komt vanuit ons huidige perspectief", zei Govind. "Dit is geen statisch plan. We moeten allemaal bereid zijn nieuwe en evoluerende gezichtspunten te omarmen."

Meer informatie: Rosa Di Felice et al, Een perspectief op duurzame computerchemie-softwareontwikkeling en -integratie, Journal of Chemical Theory and Computation (2023). DOI:10.1021/acs.jctc.3c00419

Geleverd door Pacific Northwest National Laboratory